41.Устройство и принцип действия 3-х фазного синхронного генератора. Холостой ход генератора.

Устройство и принцип действия СГ

Синхронной называется такая Электрическая Машина переменного тока, у которой частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля статора

- частота вращения ротора;

- частота вращения Магнитного Поля статора.

, – частота тока в обмотке статора

– число пар магнитных полюсов.

Подобно всем электрическим машинам синхронная машина обратима, т.е. может работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. В режиме генератора Синхронная машина преобразует механическую энергию вращения, передаваемую через вал первичного двигателя, в электрическую энергию. Синхронными генераторами оснащены стационарные электростанции (тепловые, гидравлические, атомные), вырабатывающие электроэнергию в виде трехфазного тока промышленной частоты 50 Гц.

Широко применяются синхронные генераторы в транспортных установках: на вагонах-электростанциях, тепловозах, пассажирских вагонах, кораблях, самолетах и т.д.

Синхронная машина состоит из двух основных частей – неподвижной – СТАТОР,

- вращающейся – РОТОР

Неподвижная часть – статор – ничем не отличается от статора Асинхронного Двигателя.

Статор представляет собой неподвижный пустотелый цилиндр, набранный из листовой электротехнической стали толщиной 0,5 мм. , внутри которого вращается с постоянной скоростью w постоянный электромагнит N-S (ротор). На внутренней поверхности статора расположены три витка A-X, B-Y, C-Z, стороны которых расположены в двух диаметрально противоположных канавках (пазах).

Магнитные оси этих витков сдвинуты относительно друг друга на треть пространственного периода (в показанном на рис. 2 двухполюсном генераторе - на 120 геометрических градусов). При вращении ротора его магнитная ось N-S поочерёдно набегает на начала фаз обмотки статора A, B, C, в результате чего амплитуды ЭДС E_mA, E_mB, E_mC будут сдвинуты по фазе на одну треть временного периода T (рис. 1).

Три витка, расположенные на статоре (рис. 2), представляют собой три простейших источника (генератора) однофазного синусоидального тока, которые, как правило, соединяются звездой.

Вращающаяся часть – РОТОР – представляет собой электромагнит, обмотка которого питается через контактные кольца оо источника постоянного тока и называется обмоткой возбуждения (ОВ).

По конструкции ротора СМ бывают явнополюсные и неявнополюсные.

Явнополюсный ротор состоит из отдельных полюсов на которые надеваются катушки, составляющие обмотку возбуждения. Используется в тихоходных машинах.

Неявнополюсный ротор представляет собой стальной цилиндр, в пазах которого укладывается ОВ . Применяется в быстроходных машинах.

Число полюсов Магнитного поля статора всегда равно числу полюсов ротора:

– число пар магнитных полюсов.

2. Холостой Ход сг

Принципиальная схема СГ имеет следующий вид:

Обмотка статора обычно соединяется по схеме звезда.

По сравнению с МПТ отсутствует коллектор, но используются контактные кольца.

Режим ХХ имеет место при разомкнутом рубильнике Р. Ротор вращается при этом с некоторой постоянной частотой вращения (n).

Вращающееся магнитное поле ротора индуктирует в каждой фазе обмотке статора синусоидальные ЭДС. ИХ действующее значение определяется формулой для трансформаторной ЭДС:

– частота индуктируемой ЭДС в обмотке статора;

– число витков фазы обмотки статора;

– магнитный моток полюса ротора при – ток возбуждения, при котором достигается рабочая ЭДС .

– число витков ОВ;

– магнитное сопротивление.

– постоянный коэффициент.

Направление индуктированной в статоре ЭДС определяется по правилу правой руки с учетом того, что это правило сформулировано для проводника, движущегося в неподвижном магнитном поле.

Изменяя величину тока возбуждения можно изменять магнитный поток, а следовательно и величину индуктируемой ЭДС.

Характеристика Холостого хода

Называется зависимость ЭДС разомкнутой обмотки статора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения

, при

E n=Const I=0 IВ0 IВ 0 EОСТ E0

Е0 – Рабочая ЭДС; Е0СТ – (35)% Е0;

Величина остаточной ЭДС определяется остаточным МП, который создается ферромагнитными материалами сердечника СГ.

Если к зажимам обмотки статора подключить потребитель трехфазного тока (например АД), этот режим будет соответствовать работе СГ под нагрузкой: по обмотке статора будут протекать токи, которые создают свое магнитное поле, вращающееся с той же скоростью и в том же направлении, что и ротор, т.е.синхронно с ним.

При этом в СГ действуют 2 намагничивающие силы:

– намагничивающая сила обмотки возбуждения Fв;

– намагничивающая сила обмотки статора Fс.

Взаимодействуя, эти Намагничивающие Силы образуют результирующую НС Синхронной машины, которая определяет реальный существующий в машине Магнитный Поток Ф

Воздействие НС обмотки статора на НС обмотки возбуждения и в целом на режим работы СМашины называется реакцией якоря.

Реакция якоря зависит от характера нагрузки.

Можно показать, что при работе СГ на активную нагрузку (ток статора совпадает по фазе с ЭДС) магнитная ось потока статора Ф_а расположена под прямым углом к магнитной оси потока ротора Ф_В . Как видно из рисунка магнитная ось ротора N-S расположена в плоскости катушки А-Х, что соответствует максимуму ЭДС, а следовательно и максимуму тока в этой фазе. Известно, что ось результирующего Магнитного Потока статора , созданного совместным действием всех трех фаз, совпадает с магнитной осью той фазы обмотки статора, в которой в данный момент времени ток достигает максимального значения. Поскольку в рассматриваемом случае активной нагрузки максимум тока имеет место в фазе А_Х, то магнитные оси полей статора Ф_а и ротора Ф_В , вращаясь синхронно друг с другом, оказываются взаимно перпендикулярным. Такая реакция якоря называется поперечной.

Поперечный поток реакции якоря при ненасыщенной магнитной цепи машины не влияет на величину потока ротора, а лишь искажает пространственную картину распределения результирующего магнитного поля в воздушном зазоре. Поскольку серийные синхронные машины работают при насыщенной магнитной системе, поперечная реакция якоря оказывает некоторое размагничивающее действие на поле обмотки возбуждения (аналогично поперечной реакции якоря в машинах постоянного тока). При реактивной нагрузке (угол между ЭДС и током равен ) магнитный поток статора действует вдоль оси полюсов ротора, ослабляя или усиливая поле ротора. Такая реакция якоря называется продольной. При индуктивном характере нагрузки имеет место размагничивающее действие, при емкостном – намагничивающее действие реакции якоря. Вращающийся магнитный поток реакции якоря создает в обмотке статора ЭДС самоиндукции, которую принято учитывать в виде падения напряжения, создаваемого током статора на индуктивном сопротивлении реакции якоря .

Кроме потока реакции якоря, ток статора создает поток рассеяния, замыкающийся только вокруг проводников обмотки статора. Создаваемую этим потоком ЭДС самоиндукции также принято учитывать в виде падения напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния .

Сумма индуктивных сопротивлений рассеяния и реакции якоря называется синхронным индуктивным сопротивлением: .

Для простоты анализа принимают, что каждый из магнитных потоков индуктируют в обмотках статора свои ЭДС.

Фв0  Е0
ФС  ЕС
ФР  ЕР

При этом условии уравнение равновесия напряжений для фазы обмотки статора согласно второму закону Кирхгофа можно записать

где – комплекс фазного напряжения на выходных зажимах генератора (падение напряжения на внешнем сопротивлении нагрузки);

– активное сопротивление фазы обмотки статора.

– комплекс фазной ЭДС, индуктируемой потоком ротора .

Последний член в правой части мал и им обычно пренебрегают.

Кроме того, сумму комплексов ЭДС статора и рассеяния заменяют равным по величине, но противоположным по направлению комплексом падения напряжения на так называемом синхронном сопротивлении машины:

С учетом этого уравнение равновесия напряжений принимает следующий вид:

Это выражение используется для построения Векторной диаграммы синхронной машины

ФВ Е0  ФВ ; I   Е0 ; ФP и ФС  I ; ЕС и ЕР  ФP ; из треугольников оас авс

(из меньшего треугольника);

Отсюда выразим